High switching frequency can reduce the sizes of the reactive components. In the case of conventional hard switching converters, the switching loss is proportional to the switching frequency. Thus the sizes of heat sinks increase with the switching frequency which acts as a limitation factor for pushing up the switching frequcncy. Soft switching techniques offer good solutions of high switching frequency operation with low switching loss. Besides, electromagnetic interference (EMI) problem can be significantly reduced and fast system response can be obtained. Recently many soft switching techniques are reported in the literature. Zero current switching (ZCS) quantum series resonant converter (QSRC) shows the characteristic of very low switching loss and thus high switching operation is possible. The porposed ZCS QSRC scheme in the thesis is applied to an electronic transformer with a fixed voltage gain. The L, C resonant tank in ZCS QSRC can be modeled to an equivalent inductor and thus ZCS QSRC cab be modeled to aconventional PWM converter. The analytical method for mideling the proposed ZCS QSRC is also suggested. A new zero voltage switching (ZCS) pulse width modulation (PWM) module is proposed and applied to a power factor correction circuit. Since the module can replace the switch of the traditional PWM converter without changing any circuit configuration or control strategy, it has almost all the advantages of the conventional PWM converter. A ZVS series resonant converter (SRC) controlled by one chip control IC is applied to an electronic ballast. In spite of high performance of the ZVS SRC, ZCS SRC rather than ZVS SRC has been adopted to the electronic ballast so far because the control complexity increased tremendously when ZVS SRC is used. One chip control IC which is under development can solve the problem of control complexity and offers several excellent performances such as light output regulation using feedback control, soft starting operation under wide range of ambient temperature, several protective function, etc. The performances are verified by experiment using discrete components. Three switch ZCS QSRC, half bridge ZCS QSRC, two switch ZVS step down converter, small ripple ZVS step down converter and new two step driving converter are applied to an AC chopper as an electronic step down transformer. The former four converters operate on ZCS or ZVS conditions. The last converter, however, is an approach to a new drive method of the power MOSFET. The five topologies are compared on the view point of efficiency, number of switches, conduction loss, and current and voltage ratings of the switches. And the efficiency of the tow step driving converter is shown to be higher than that of the conventional hard switching PWM converter.
전력 전자 시스템은 기본적으로 반도체 스위치, 커패시터, 인덕터, 트랜스포머 및 각종 제어회로로 이루어져있다. 이 중 반도체 스위치 및 제어회로를 제외한 리액티브 소자 즉, 커패시터, 인덕터, 트랜스포머 등의 크기와 무게는 이들 소자를 통과하는 에너지의 주파수에 크게 의존한다. 기존의 하드 스위칭 (hard switching) 펄스폭 (PWM) 컨버터 (converter)에서 그냥 스위칭 주파수만 높이면 이들 리액티브 소자들의 크기는 줄일 수 있으나 스위칭 손실의 증가로 인해 방열판의 크기가 커져야하며 아울러 효율도 저하한다. 최근 활발하게 연구되고있는 영 전류 및 영 전압 스위칭 기법은 스위치에 흐르는 전류가 영이거나 스위치 양단 전압이 영일 때 스위칭해주어 스위칭 손실을 획기적으로 줄여주기 때문에 스위칭 주파수를 높이는 것이 가능하다. 본 논문에서는 여러가지 영 전류 및 영 전압 스위칭 컨버터를 제안하고 적절한 분양에 이들 컨버터를 응용하였다. 제2장에서는 새로운 영 전류 스뤼칭 양자 직렬 공진 컨버터 (zero current switching quantum series resonant converter ; ZCS QSRC)를 제안하였다. ZCS QSRC는 스위칭 손실이 거의없고, 스위칭 주파수가 고정되며 모델링 (modeling)이 쉬워 제어가 간단하다는 등의 장점이 있으나 출력전압이 양자화되어 그 사이값을 얻기가 어렵다. 양자화된 사이값을 얻기 위해서는 제어가 복잡해지고 전류 리플 (current ripple)이 커지는 등의 단점이있기 때문에 SMPS와 같은 정교하게 제어되는 출력전압을 원하는 시스템에 적용되기는 쉬지않다. 본 논문에서 제안된 ZCS QSRC는 항상 일정한 입력 대 출력비를 원하는 교류 쵸퍼 (AC chopper) 즉, 전자식 트랜스포머에 응용되었고, 해석적인 모델링 방법과 설계를 위한 여러가지 정보가 제안되었다. 또한 그 타당성을 증명하기 위해 실험결과가 제시되었다. 제3장에서는 영 전압 스위칭 PWM 모듈 (ZVS PWM module)이 제안되었고 이 모듈을 채택한 부스터 컨버터 (boost converter)를 역률개선회로 (power facto correction circuit)에 응용하였다. 일반적으로 영 전류나 영 전압 스위칭 컨버터는 전류나 전압 스트레스 (stress)가 크고 스위칭 주파수를 가변하여 출력을 제어하고 제어회로가 복잡한것 등의 단점이있다. 제안된 모듈은 아래와 같이 여러가지 장점을 갖는다. 먼저 전압 스트레스가 기존의 PWM 컨버테에서와 같다. 둘째, 전류 스트레스는 기존의 PWM 컨버터o}릿? 약간 증가하나 그리 크지않다. 셋째, 고정된 스위칭 주파수를 갖기 때문에 필터 설계가 용이하다. 넷째, 기존의 PWM 컨버터와 마찬가지 방법으로 PWM제어가 가능하기 때문에 제어회로가 간단해진다. 따라서, 기존의 PMW 컨버터에 있는 스위치를 회로의 변환없이 제안된 모듈로 직접 대체할 수 있다. 이 모듈을 채택한 컨버터는 영 전류 또는 영 전압 스위칭을 하기때문에 기존의 하드 스위칭 PWM 컨버터 보다 높은 주파수에서 작동한다. 또한 에너지 전달 매개체는 기존의 PWM 컨버터에서와 같이 필터용 인덕터이기 때문에 스위칭이 일어나는 짧은 구간에서만 동작하는 영 전류 또는 영 전압 스위칭 조건을 만들어 주기위한 공진 L과 C의 정격용량은 그다지 크지않다. 다이오드의 영 전류 턴 오프 (turn-off)시 일어나는 역회복 (reverse recovery)에 의한 전류의 떨림 현상 (oscillation)은 가포화 인덕터 (saturable inductor)로 없앴다. 제4장에서는 단일 칩 IC로 제어되는 영 전압 스위칭 직력 공진형 커버터 (ZVS SRC)가 전자식 안정기 (electronic ballast)에 응용되었다. 전자식 안정기에 적용되는 컨버터는 크게 직렬 공진형 컨버터와 별렬 공진형 컨버터 (PRC)가 있는데 SRC는 PRC에 비?? 회로가 간단하고 가격이 싸며 영 전류 스위칭을 하는데 스위칭 순간에 스위칭 잡음 (EMI)이 발생한다. 주파수를 가변하면 광 출력을 조절할 수 있는데 제어회로가 아주 복잡해진다. PRC는 영 전압 스위칭을 하며 전압파형이 정현파이기 때문에 EMI가 적게 발생한다. 그러나 스위치의 전압 정격이 아주 높고 광출력 조절을 할 수 없다는 단점이있다. 제안된 전자식 안정기는 항상 공진 주파수보다 높은 주파수에서 영 전압 스위칭 방식으로 동작되고 제어회로의 복잡성을 줄이기 위해 단일 칩 (single chip) 제어 IC를 채택하였다. 이 제어 IC는 현재 개발중에 있다. 이 제어 IC의 모든 특성은 개별 소자를 이용하여 검증되었다. 기존의 전자식 안정기에 비해 제안된 전자식 안정기는 광 출력이 입력전압의 변동이나 등 특성의 변화에 관계없이 항상 정밀하게 제어되고 영 전압 스위칭으로 동작하며 스위치 양단 전압 파형이 사다리꼴이기 때문에 EMI가 적게 발생하며 등을 잘못 연결하거나 불량등을 사용했을 때에도 안정기가 안전하게 동작할 수 있는 보호기능을 쉽게 추가할 수 있는 등의 장점이있다. 영 전류 스위칭과 영 전압 스위칭을 통칭하여 소프트 (soft) 스위칭이라고 하는데 제5장에서는 인덕터나 커패시터의 공진현상을 이용한 소프트 스위칭 컨버터들과 새로 제안된 2단계 구동방식의 컨버터 (two step driving converter)를 비교분석하였다. 제안된 소프트 스위칭 컨버터는 제2장에서 제안한 ZCS QSRC, ZCS half bridge QSRC, 두개의 스위치를 갖는 영 전압 스위칭 컨버터, 전류 리플이 적은 영 전압 스위칭 컨버터로써 영 전류 스위칭 방식과 영 전압 스위칭 방식이 각각 2개씩이다. 스위칭 손실은 스위치의 동작이 이상적으로 이루어지지 않음으로써 생기는 것과 반대쪽에서 연결된 다이오드의 역 회복에 의해 생기는 것으로 구분할 수 있는데 2단게 구동방식은 다이오드의 역 회복에 의한 스위칭 손실을 줄이는 스위칭 방법이다. 영 전류나 영 전압 스위칭 방식과 달리 2단계 구동방식의 컨버터는 약간의 스위칭 손실이 생기기 때문에 가장 낮은 스위칭 주파수로 동작된다. 소프트 스위칭 컨버터들은 스위칭 손실이 없지만 큰 전류 리플은 근접효과 (proximity effect)에 의해 인덕터 크기를 증가 시키기 때문에 결국 스위칭 주파수를 제한하는 역활을한다. 따라서 고전류 시스템에서는 스위칭 주파수는 낮지만 전류 리플이 가장 적은 2단계 구동방식의 컨버터가 소프트 스위칭 컨버터보다 더 적은 크기로 만들어진다.
